胡建平 湖南高速铁路职业技术学院

高速磁浮牵引供电系统滤波技术分析

胡建平 湖南高速铁路职业技术学院

磁悬浮系统的出现，使得列车运行的速度大大提高，不过磁浮列车在运行过程中，其本身的牵引供电系统会向电网发射谐波，影响电网稳定性以及供电质量。对此，相关部门必须合理选择滤波技术，做好谐波处理。本文结合磁浮系统谐波的特性，对LC滤波、有缘滤波等滤波技术进行了分析。

高速磁浮 牵引供电系统 滤波技术

磁浮或者说磁悬浮技术，是利用磁力来抵消重力，使得物体能够悬浮起来，减少摩擦力，可以将列车的运行速度提高到500km/h以上，而且在行驶过程中不会产生噪音和废气，也不会对轨道造成磨损。不过，对于电网而言，磁浮列车属于大容量间歇性感性冲击负载，运行时会向产生大量谐波，严重影响电网供电质量。针对这个问题，铁路部门应该采取有效的滤波措施来消除负面影响。

1 磁浮系统的谐波特性

以上海磁浮列车牵引供电系统为例，采用了12脉波相控整流器，从理论上分析，整流器在运行过程中，会持续向电网发射谐波，谐波次数为11、13、23……而实际上，由牵引变流器发射的谐波还包括了5次谐波和7次谐波，在没有设置滤波装置的情况下，5次谐波含量为4.6%，7次谐波含量为3.2%、11次谐波含量为6.1%，13次谐波含量则为4.9%。

2 LC滤波

作为一种比较常见的谐波抑制装置，LC滤波器不仅可以有效滤除谐波，也能够提供无功补偿功能，因此在高压大容量系统中得到了广泛应用。从结构上分析，LC滤波器包括了电容器和电抗器，两者相互串联，调谐在某个特定谐波频率。在面对需要调谐的谐波时，滤波器为低阻抗，而在理论上，可以将调谐频率位置的阻抗设计成零，确保其能够对需要滤除的谐波分量进行吸收。

在面对牵引变流器释放的谐波时，磁浮线运营单位在牵引供电系统中安装了5次、7次、11次及以上谐波的LC滤波器，能够切实将谐波控制在相关标准要求的范围内。不过在实际应用中，LC滤波器存在一些问题，一是电容本身会产生较大无功，在列车没有运行时，会形成动态补偿负担；二是LC滤波器的存在，可能与外部供电系统引发谐振问题。对LC滤波器的阻抗进行扫描，发现其在4.8、6.9、11.5次谐波位置存在串联谐振，较低的阻抗保证了良好的滤波效果，在5.1次和7.4次谐波位置存在并联谐振，阻抗较大。因此，如果在并联谐振点周边存在谐波，则容易引发大谐波电压，导致设备绝缘性能下降。不仅如此，在使用中，一旦LC滤波器内容的电容电感元件老化，造成阻值变化，则会导致谐振频率点向整数次移动，牵引变流器发射的谐波可能在外部供电系统引发谐振。

3 有源滤波

有源滤波在原理上与LC滤波器存在很大的差异，主要是通过逆变器，向电网注入谐波电流，体育负载谐波电流的幅值相同但是相位相反，通过相互抵消来实现滤波的目的。又或者通过大阻抗来避免谐波电流流向电源。在实际应用中，有源滤波器能够实现对不同次数谐波电流的同时滤除，相应速度快而且不会受到电网参数影响。高速磁浮牵引供电系统运行中产生的滤波属于中压大功率范围，有源滤波器的实现方式有两种：

3.1 小容量三相逆变器并联

主要是将多个容量较小的IGBT模块并联在一起，经变压器与供电母线连接。10kHHz的开关频率使得IGBT模块能够满足有源滤波器的使用需求，而且模块之间相互独立，对谐波电流进行分流，即使其中一个模块出现问题，其他模块也可以保持正常运作。在面对高频谐波电流时，需要单独设计对应滤波模块。不过，这种方式由于需要经过变压器，会导致成本的增大以及响应的延迟，器件本身发热也会使得损耗增大。

3.2 H级侨联

也称CHB形式，将多个开关频率较低的H模块级联进行移相控制，确保相位能够错开，以满足有源滤波器的要求。CHB形式的优势在于损耗小，能够减少对供电系统的扰动，模块化的设计为扩展维护提供了方便，与电源直连的形式可以降低成本，提高效率及响应速度。不过，在控制方面，CHB形式相对复杂和繁琐。

4 IGCT大功率变流器谐波特性

借助不断发展的科学技术以及长期实践得到的经验，磁浮中心联合委外单位，在IGCT的基础上，研制了12脉波相控型7.5MVA大功率变流器。与GTO不同，IGCT的电流等级和耐压等级更大，开关频率高，驱动电路简单且损耗较低，优势非常明显。

在工作状态，IGCT变流器会发射大量谐波，其中以高次谐波为主。相关试验数据显示，变流器谐波集中在11、13、23、25次的位置，也包含部分5次谐波和7次谐波。当交流器空载运行时，各次谐波的分布相对混乱，含量也更高。

5 APF试验情况

从IGCT变流器谐波特点出发，考虑母线负载类别，相关部门研制出了与20kV母线直挂的级联式APF，能够实现对磁浮列车荷载变化的动态跟踪，将动态响应时间控制在了10ms以内，能够对磁浮列车运行过程中的谐波电流进行有效抑制，确保其满足相关标准的要求。

APF样机中采用了星接法，通过N+2冗余模块实现了28个功率模块的串联，再经电抗器接入电网。样机虽然相对简单，不过同样经过了出厂试验等检验，性能可以保障。为了对其滤波性能进行验证，在同济大学高速磁浮试验线上进行现场试验，主要目的是对IGCT变流器在运行中产生的谐波进行滤除。现场试验谐波电流如表1所示。

表1 现场试验谐波电流

结合试验结果分析，在进行滤波前，IGCT变流器滤波的存在使得电压畸变率达到1.7%，与国际标准规定的2%的限值接近，而在滤波后，电压畸变率为0.7%，电流谐波滤除率平均为65%左右，表明APF装置可以满足滤波要求。

不过，受试验条件限值，得到的试验结果实际上并不理想。由于试验线长度有限，严重限值了变流器的负荷输出，与有源滤波器一样，在输出上距离额定工况颇为遥远，加上基波与谐波电流幅值仅为8A左右，谐波电流的波动较快，滤波难度较大。不仅如此，进线侧电流互感器变比折算到二次侧，谐波电流在13mA左右，容易受噪声干扰，影响补偿效果。因此，想要确认装置的性能，需要在更好的环境下进行试验。

总而言之，在科学技术飞速发展的带动下，高速磁浮列车飞速发展，其牵引供电系统的谐波滤除也受到了越来越多的关注。相关技术人员应该立足实际需求，对滤波技术和滤波装置进行合理选择，保证滤波效果，为高速磁浮技术的进一步发展提供良好的保障。

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